模仿光合作用制备太阳能衍生氢燃料
　　水分解成氢气和氧气须消耗大量能源，这样生产氢气的成本会远远高于石化燃料。宾夕法尼亚州立大学的材料
化学家Thomas Mallouk教授称：“通过模仿光合作用，我们能够制备汽车或喷气式飞机用的廉价氢燃料。但是我们
必须先解决一些问题。”目前他们正在创建一个模仿光合作用的人工体系。这种技术直接在蓝光下使用能源，但是目
前它的效率远低于其他太阳能能源转换技术的效率。Mallouk称目前他们的氢气产率仅是2%～3%。
　　这种直接转换技术的关键在于电子，如同植物中天然存在的染料一样，无机染料能够吸收太阳光，吸收的能量
激发电子。电子激发跃迁时，会重组产生热量；但是如果对电子形成分子，离开基态足够远，那么电子就可以与催
化剂发生作用，把水分解成氢气和氧气。电子的重组并不是这一新技术的唯一问题，体系中释放的氧气也是一种化
学破坏，它使该体系的使用寿命仅是几小时。电池中的氧气是一种强氧化剂，会氧化附近的分子。天然光合作用也
存在同样的问题，但是天然体系具有自修复机制，可以定期释放体系中的氧气，生成新分子替换被氧化的蛋白质分
子。到目前为止，研究人员还没有办法克服氧化问题，所以电池中的催化剂和其他分子最终都将被降解，限制了太
阳能燃料电池的使用寿命。
　　目前，研究人员仅使用蓝光进行实验，但是希望未来可以使用太阳光的整个可见光谱进行操作。他们还使用昂
贵的钛氧化物电极、铂黑电极和铱氧化物催化剂。麻省理工学院的一个研究小组目前正在研究钴、镍催化剂，耶鲁
大学和普林斯顿大学正在研究锰催化剂。
　　虽然对燃料电池进行结构设计有利于电子亲近催化剂，但是绝大多数电子依然会发生重组反应，把它们多余的
能量转变成热能，而不是用于化学键的断裂。Mallouk表示：“这个人工体系中的锰催化剂的作用与植物、藻类和细
菌有氧光合作用体系（光体系Ⅱ）中锰催化剂的作用一样慢。”当光体系Ⅱ中使用电子介质时，催化效率会提高。这
是因为电子介质可以确保染料分子给链中的下一个分子传递电子时始终带有一个可用的电子。Mallouk表示他们也
要采用同样的方法减缓人工体系中电子的重组。电子从介质转移至染料分子可以显著减弱重组反应。目前该体系一
次只使用一个光子，但是当使用太阳光全光谱进行实验时，双光子体系甚至于更复杂的体系效果会更好。
　　Mallouk目前的主要目标是跟踪其燃料电池中所有能量的转变途径，更好地了解整个过程的动力学。然后通过
仿生模拟，调整燃料电池的部分结构，减少能量损耗、提高效率。（薛洁）